تأثير مايسنر واستخدامه

يتكون تأثير Meissner أو تأثير Meissner-Oxenfeld من إزاحة المجال المغناطيسي من الجزء الأكبر من الموصل الفائق أثناء انتقاله إلى حالة التوصيل الفائق. تم اكتشاف هذه الظاهرة في عام 1933 من قبل الفيزيائيين الألمان والتر مايسنر وروبرت أوكسنفيلد ، اللذين قاما بقياس توزيع المجال المغناطيسي خارج عينات فائقة التوصيل من القصدير والرصاص.

والتر ميسنر

في التجربة ، تم تبريد الموصلات الفائقة ، في وجود مجال مغناطيسي مطبق ، إلى ما دون درجة حرارة التحول فائقة التوصيل حتى تمت إعادة تعيين المجال المغناطيسي الداخلي للعينات تقريبًا. تم اكتشاف التأثير من قبل العلماء بشكل غير مباشر فقط ، لأنه يتم الحفاظ على التدفق المغناطيسي للموصل الفائق: عندما ينخفض ​​المجال المغناطيسي داخل العينة ، يزداد المجال المغناطيسي الخارجي.

وهكذا ، أظهرت التجربة بوضوح لأول مرة أن الموصلات الفائقة ليست فقط موصلات مثالية ، ولكنها تُظهر أيضًا خاصية تعريف فريدة للحالة فائقة التوصيل.يتم تحديد القدرة على إزاحة المجال المغناطيسي من خلال طبيعة التوازن المتكون من خلال التحييد داخل خلية الوحدة للموصل الفائق.

يُقال إن الموصل الفائق الذي يحتوي على مجال مغناطيسي ضئيل أو معدوم في حالة مايسنر. لكن حالة Meissner تنهار عندما يكون المجال المغناطيسي المطبق قويًا جدًا.

تجدر الإشارة هنا إلى أنه يمكن تقسيم الموصلات الفائقة إلى فئتين اعتمادًا على كيفية حدوث هذا الانتهاك.في الموصلات الفائقة من النوع الأول ، يتم انتهاك الموصلية الفائقة فجأة عندما تصبح قوة المجال المغناطيسي المطبق أعلى من القيمة الحرجة Hc.

اعتمادًا على هندسة العينة ، يمكن الحصول على حالة وسيطة ، على غرار النمط الرائع لمناطق المواد العادية التي تحمل مجالًا مغناطيسيًا ممزوجًا بمناطق من مادة فائقة التوصيل حيث لا يوجد مجال مغناطيسي.

في الموصلات الفائقة من النوع الثاني ، تؤدي زيادة قوة المجال المغناطيسي المطبقة إلى القيمة الحرجة الأولى Hc1 إلى حالة مختلطة (تُعرف أيضًا باسم حالة دوامة) ، حيث يخترق المزيد والمزيد من التدفق المغناطيسي المادة ، ولكن لا توجد مقاومة للتيار الكهربائي ما لم يكن هذا التيار ليس مرتفعًا جدًا.

عند قيمة القوة الحرجة الثانية Hc2 ، يتم تدمير حالة الموصلية الفائقة. تحدث الحالة المختلطة بسبب الدوامات الموجودة في سائل الإلكترون الفائق ، والتي تسمى أحيانًا fluxons (كمية التدفق المغناطيسي) لأن التدفق الذي تحمله هذه الدوامات يكون كميًا.

أنقى الموصلات الفائقة الأولية ، باستثناء النيوبيوم والأنابيب النانوية الكربونية ، من النوع الأول ، في حين أن جميع الشوائب تقريبًا والموصلات الفائقة المعقدة من النوع الثاني.

من الناحية الظاهرية ، أوضح الأخوان فريتز وهاينز لندن تأثير مايسنر ، اللذين أظهروا أن الطاقة الحرة الكهرومغناطيسية للموصل الفائق يتم تقليلها إلى أدنى حد في ظل الشرط:

هذا الشرط يسمى معادلة لندن. وتوقع أن يتحلل المجال المغناطيسي في الموصل الفائق بشكل كبير من أي قيمة له على السطح.

إذا تم تطبيق مجال مغناطيسي ضعيف ، فإن الموصل الفائق يزيح كل التدفق المغناطيسي تقريبًا. ويرجع ذلك إلى ظهور التيارات الكهربائية بالقرب من سطحه ، حيث يعمل المجال المغناطيسي للتيارات السطحية على تحييد المجال المغناطيسي المطبق داخل حجم الموصل الفائق. نظرًا لأن إزاحة المجال أو إخماده لا يتغير بمرور الوقت ، فهذا يعني أن التيارات التي تخلق هذا التأثير (التيارات المباشرة) لا تتحلل بمرور الوقت.

بالقرب من سطح العينة ، داخل عمق لندن ، لا يكون المجال المغناطيسي غائبًا تمامًا. كل مادة فائقة التوصيل لها عمق اختراق مغناطيسي خاص بها.

أي موصل مثالي سيمنع أي تغيير في التدفق المغناطيسي الذي يمر عبر سطحه بسبب الحث الكهرومغناطيسي العادي عند المقاومة الصفرية. لكن تأثير مايسنر يختلف عن هذه الظاهرة.

عندما يتم تبريد موصل تقليدي إلى حالة فائقة التوصيل في وجود مجال مغناطيسي مطبق بشكل دائم ، يتم التخلص من التدفق المغناطيسي أثناء هذا الانتقال. لا يمكن تفسير هذا التأثير من خلال التوصيل اللانهائي.

لا يُظهر التنسيب والرفع اللاحق للمغناطيس على مادة فائقة التوصيل بالفعل تأثير Meissner ، بينما يتم عرض تأثير Meissner إذا تم صد المغناطيس الثابت في البداية بواسطة الموصل الفائق المبرد إلى درجة حرارة حرجة.

في حالة مايسنر ، تُظهر الموصلات الفائقة نفاذية مغناطيسية مثالية أو مغناطيسية فائقة. هذا يعني أن إجمالي المجال المغناطيسي قريب جدًا من الصفر بداخلهم ، ومسافة كبيرة إلى الداخل من السطح. القابلية المغناطيسية -1.

يتم تعريف النفاذية المغناطيسية من خلال توليد مغنطة تلقائية لمادة ما تكون معاكسة تمامًا لاتجاه مجال مغناطيسي مطبق خارجيًا ، لكن الأصل الأساسي للمغناطيسية في الموصلات الفائقة والمواد العادية مختلف تمامًا.

في المواد العادية ، تحدث النفاذية المغناطيسية كنتيجة مباشرة للدوران المداري المستحث كهرومغناطيسيًا للإلكترونات حول النوى الذرية عند تطبيق مجال مغناطيسي خارجي. في الموصلات الفائقة ، ينشأ وهم ثنائية المغناطيسية الكاملة بسبب تيارات الحماية المستمرة التي تتدفق ضد المجال المطبق (تأثير مايسنر نفسه) ، ليس فقط بسبب الدوران المداري.

أدى اكتشاف تأثير مايسنر في عام 1935 إلى النظرية الظاهراتية للموصلية الفائقة من قبل فريتز وهاينز لندن. تشرح هذه النظرية اختفاء المقاومة وتأثير مايسنر. سمح لنا هذا بعمل أول تنبؤات نظرية حول الموصلية الفائقة.

ومع ذلك ، فإن هذه النظرية تشرح فقط الملاحظات التجريبية ، ولكنها لا تسمح بتحديد الأصل العياني لخصائص التوصيل الفائق.تم القيام بذلك بنجاح لاحقًا ، في عام 1957 ، من خلال نظرية باردين-كوبر-شريفر ، والتي يتبعها عمق الاختراق وتأثير مايسنر. ومع ذلك ، يجادل بعض الفيزيائيين بأن نظرية باردين-كوبر-شريفير لا تفسر تأثير مايسنر.

يتم تطبيق تأثير Meissner وفقًا للمبدأ التالي. عندما تمر درجة حرارة مادة فائقة التوصيل عبر قيمة حرجة ، يتغير المجال المغناطيسي من حولها فجأة ، مما يؤدي إلى توليد نبضة EMF في الملف الملفوف حول هذه المادة. وعندما يتغير تيار ملف التحكم ، يمكن التحكم في الحالة المغناطيسية للمادة. تُستخدم هذه الظاهرة لقياس المجالات المغناطيسية شديدة الضعف باستخدام أجهزة استشعار خاصة.

جهاز cryotron هو جهاز تبديل يعتمد على تأثير Meissner. من الناحية الهيكلية ، يتكون من اثنين من الموصلات الفائقة. يتم لف ملف من النيوبيوم حول قضيب من التنتالوم يتدفق من خلاله تيار تحكم.

مع زيادة تيار التحكم ، تزداد قوة المجال المغناطيسي ويمر التنتالوم من حالة التوصيل الفائق إلى الحالة العادية. في هذه الحالة ، تتغير موصلية سلك التنتالوم وتيار التشغيل في دائرة التحكم في غير خطي طريقة. على أساس الكريوترونات ، على سبيل المثال ، يتم إنشاء الصمامات الخاضعة للرقابة.